Quantentechnologien
Eine Übersicht der wichtigsten Grundlagen
Das Potenzial
Durch das Ausnutzen von quantenmechanischen Eigenschaften, wie der Superposition und der Verschränkung, lassen sich Computer bauen, die bei bestimmten Problemstellungen viel effektiver arbeiten und Berechnungen ermöglichen, die mit herkömmlichen Computern in annehmbarer Zeit nicht zu lösen sind.
Deshalb entwickeln Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen Quantencomputer und entwerfen Anwendungen dafür, die einen Nutzen für unsere Gesellschaft bieten und unser Bundesland technologisch an die Spitze dieser neuen Technologien bringen.
Mit diesen neuen Computern lassen sich dann beispielsweise Optimierungsprobleme wie in der Logistik oder im Flugverkehr schneller und effizienter lösen. Damit kommt es zu weniger Verkehrsaufkommen, also weniger Staus und weniger Flugausfällen oder -verspätungen.
Auch in der Medizin können Quantencomputer ärztliche Diagnosen schneller absichern und individuelle Therapien schneller entwickeln, was der Lebensqualität der Menschen großen Nutzen bringt. Quanten-Sensoren können zudem Kosten für medizinische Geräte senken und damit die Untersuchungen und letztlich das Gesundheitssystem schneller und kostengünstiger.
Die Technologie
Einführung
Die Grundlagen der Quantentechnologie liegen in den fundamentalen Prinzipien der Quantenmechanik, welche das Verhalten von Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene beschreiben. Schon seit einiger Zeit nutzen wir Technologien, die auf quantenmechanischen Phänomenen beruhen – zum Beispiel Laser, Atomuhren oder der Kernspintomographie. Diese Technologien haben unsere Fähigkeit zur Messung, Steuerung und Manipulation von Materie auf immer feinere und präzisere Weise erweitert. Jedoch operieren sie größtenteils auf makroskopischer Ebene, indem sie die kollektiven Eigenschaften von Quantenteilchen, wie beispielsweise Licht-Intensität oder elektrische Leitfähigkeit für technologische Anwendungen nutzen. Entscheidend ist also nicht die Eigenschaft des einzelnen Teilchens, sondern vielmehr die Eigenschaft aller Teilchen.
Eine neue Ära
Die “2. Quantenrevolution” konzentriert sich hingegen darauf, die gezielte Manipulation individueller quantenmechanischer Teilchen und Zustände zu nutzen. Ziel ist es, eine Reihe von Technologien zu entwickeln, die unser Verständnis der Welt vertiefen und gleichzeitig innovative Lösungen für bisher unüberwindbare Herausforderungen bieten.
Ein Beispiel ist die Quantenkommunikation, bei der die Verschränkung von Quantenzuständen bisher unerreichte Sicherheit in der Datenübertragung ermöglicht. Quantensensoren wiederum eröffnen das Potenzial für extrem präzise Messungen, die in Bereichen wie Navigation und Diagnostik Anwendung finden könnten und die beeindruckende Rechenleistung von Quantencomputern eröffnet Wege zur Lösung komplexester Probleme.
Quanten-Bits (Qubits)
Qubits, oder Quanten-Bits, bilden die elementaren Einheiten der Quanteninformation und sind von entscheidender Bedeutung für die Quantentechnologie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits, die nur die Werte “0” oder “1” annehmen können, können Qubits in einem Zustand der Superposition existieren. Diese Eigenschaft ermöglicht es einem Qubit, gleichzeitig in mehreren Zuständen, zum Beispiel einem Überlagerungszustand zwischen “0” und “1”, zu sein und eröffnet damit eine große Bandbreite an Möglichkeiten.
Durch die Fähigkeit von Qubits, gleichzeitig in verschiedenen Zuständen zu existieren, können Quantencomputer eine Vielzahl von Berechnungen parallel durchführen, was zu einer erheblichen Steigerung der Rechenleistung führt. Dies ist von entscheidender Bedeutung für die Lösung komplexer Probleme, wie sie in der Kryptographie, der Materialforschung und der Optimierung auftreten.
Quantenverschränkung
Verschränkte Qubits können in einem Zustand enger Verbindung existieren, so dass die Zustandsänderung eines Qubits unmittelbare Auswirkungen auf das andere Qubit hat, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Dieses Phänomen spielt eine entscheidende Rolle in der Quantenkommunikation und eröffnet ein Potenzial für völlig neue Ansätze zur Informationsverarbeitung und -übertragung. Dieses rätselhafte Verhalten hat dazu geführt, dass Einstein es als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete. Bis heute ist nicht verstanden, warum diese „spukhafte Fernwirkung“ existiert.
Die Quantenverschränkung bildet die Voraussetzung der Quantenkommunikation, bei der Informationen sicher und unmittelbar übertragen werden können, und bildet einen grundlegenden Baustein für die beeindruckende Leistungsfähigkeit von Quantencomputern.